Expérience de Hughes-Drever

Giuseppe Cocconi et Edwin Salpeter théorisent en 1958 que l'inertie d'un corps massif dépend de masses à proximité selon le principe de Mach. Une distribution non-uniforme de la matière serait donc à l'origine de l'anisotropie de l'inertie (l'inertie d'un corps massif serait donc différente selon la direction d'où elle mesurée). Des arguments heuristiques les amènent à conclure que l'anisotropie inertielle, si elle existe, serait principalement le fait du noyau de notre Galaxie (qui pèse des milliards de tonnes). Ils affirment que cette anisotropie pourrait être observée de deux façons : en mesurant la séparation Zeeman dans un atome[7] ou en mesurant la séparation Zeeman de l'état excité du noyau de 57Fe grâce à l'effet Mössbauer[8].

Vernon Hughes (en) et al. (1960)[9] et Ronald Drever (1961)[10] conduisent de façon indépendante des expériences spectroscopiques dans le but de confirmer le principe de Mach. Ils n'utilisent pas l'effet Mössbauer, mais font des mesures à l'aide de la résonance magnétique nucléaire (RMN) du noyau du lithium 7 (7Li), dont l'état fondamental possède une spin de ³⁄₂. Cet état se sépare en quatre niveaux magnétiques égaux lorsque mesurés dans un champ magnétique (en accord avec les états autorisés par le nombre quantique magnétique de l'atome de lithium). La fonction d'onde du noyau présente une distribution spatiale différente selon la direction du champ magnétique et le niveau d'énergie. Si l'isotropie de la masse est satisfaite, chaque transition entre deux niveaux d'énergie voisins devrait émettre un photon de même fréquence. Dans la distribution statistique des fréquences, il ne devrait apparaître qu'un seul mode et toutes les fréquences devraient être fortement concentrées autour de ce mode ; en spectroscopie, on parle de raie spectrale. Toutefois, si l'inertie dépend de la direction, il y aura un étalement des fréquences, que ce soit sous forme de plusieurs raies ou d'une courbe aplatie. En ce qui concerne Drever, il mène une expérience qui dure 24 heures de suite, période pendant laquelle la Terre tourne sur elle-même et l'axe de son champ magnétique balaie différentes parties du ciel. Drever porte particulièrement attention au comportement du spectre lorsque l'axe du champ magnétique pointe vers le centre de la Voie lactée[11]. Ni Hughes et ni Drever n'observent de changement fréquentiel des niveaux d'énergie. À cause de la précision de leur expérience, l'anisotropie fréquentielle maximale est de 0,04 Hz.

En ce qui concerne l'influence des expériences sur le principe de Mach, Robert Dicke démontre en 1961 qu'ils sont en accord avec le principe à la condition que l'anisotropie de l'espace soit la même pour toutes les particules[12] - [13].

Bien que le but de cette expérience était de valider le principe de Mach, il a depuis reconnu comme un test important pour la covariance de Lorentz et la relativité restreinte.

En effet, l'anisotropie se manifesterait s'il existait un référentiel absolu ou s'il y avait un référentiel qui violait la covariance de Lorentz. Dans ce dernier cas, sa manifestation la plus étudiée est le fond diffus cosmologique qui peut servir d'équivalent d'éther luminifère. Donc, les échecs de l'expérience de Hughes–Drever et de l'expérience de Michelson–Morley éliminent l'existence d'un référentiel absolu.

Selon le relativiste Clifford Martin Will (en) notamment, l'expérience de Hughes–Drever confirme la validité de la relativité restreinte. En effet, une violation des conditions de Lorentz pourrait mener à des différences entre la vitesse maximale de particules dotées d'une masse et la vitesse de la lumière. Si elles étaient différentes, les propriétés des interactions de la matière changeraient. De plus, pour confirmer la validité du principe d'équivalence de la relativité générale, il est essentiel que la covariance de Lorentz soit vérifiée dans les référentiels en mouvement[1] - [2].

Puisque différentes fréquences sont comparées, cette expérience est aussi appelée « expérience de comparaison des horloges »[3] - [4] (les fréquences sont équivalentes à des horloges).

En plus de recherches d'une violation de l'invariance de Lorentz ou d'une confirmation du principe de Mach, des chercheurs tentent aussi de découvrir aussi une violation spontanée de l'invariance de Lorentz (donc, par observation de phénomènes naturels) et la symétrie CPT. Ces recherches sont motivées par des prédictions des théories de la gravité quantique. L'expérience de Hughes–Drever a aussi été appliquée, mutatis mutandis, aux neutrons et aux protons. Utilisant des systèmes de particules à spins polarisés, la précision de ces expériences surpasse celle des expériences originales. De plus, en utilisant des balances de torsion à spins polarisés, la section de l'électron a aussi été testée[5] - [6]. Aucune de ces expériences n'a mis en évidence quelque violation que ce soit ni permis d'affirmer que le principe de Mach (dans sa formulation originale) est valide. Il n'y a donc aucun référentiel absolu.

Les valeurs du tableau qui suit sont reliées aux coefficients donnés par l'extension du modèle standard des particules (Standard-Model Extension : SME), régulièrement utilisé comme théorie effective. Par la suite, toute déviation de l'invariance de Lorentz peut être reliée à un ou plusieurs coefficients. Puisque plusieurs coefficients sont testés pendant ces expériences, seule la valeur de la sensibilité maximale est donnée (consulter les articles pour plus de précisison) [3] - [14] - [4].

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de la page de Wikipédia en anglais intitulée « Hughes–Drever experiment » (voir la liste des auteurs).

• (en) T. Roberts et S. Schleif, « What is the experimental basis of Special Relativity? », Relativity FAQ, 2007